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原文传递铁路道岔尖轨及长心轨导波检测技术研究

论文题名：	铁路道岔尖轨及长心轨导波检测技术研究
关键词：	铁路道岔;尖轨损伤;长心轨;导波检测
摘要：	铁路道岔尖轨（含长心轨）起着引导机车车辆转线的重要作用，是影响工务设备安全的关键点之一。随着我国铁路事业的快速发展，列车运行速度和运量也相应不断提高，使得道岔尖轨损伤有不断增多的趋势，如何及早发现尖轨伤损、确保铁路运输安全，成为了铁路无损检测工作的新课题。导波检测技术具有一处激发、大面积长距离检测的优势，可实现结构健康监控(SHM)，有望在钢轨道岔尖轨部位（含长心轨）的无损检测中发挥作用。　　文章在总结导波经典理论及实际应用情况的基础上，对导波检测道岔的方法原理和可行性进行了研究。综述了导波检测技术的国内外研究现状及发展趋势，对比了用于导波传播机理分析的常用解析方法和数值方法，列举了各种方法的特点、优点及其局限性;分析了结构中导波的常用激发方法，讨论了导波研究中热度较高的小波变换、经验模态分解等时频域信号处理技术;总结和分析了国内外研究学者对钢轨、道岔的超声导波传播特性的研究成果。　　以Navier控制方程为基础，将60型钢轨（指60kg/m钢轨，下同）及道岔尖轨部位的轨底、轨腰、轨头近似成不同厚度的平板波导，推导轨底、轨腰、轨头中关键厚度下的对称与反对称模式的Rayleigh-Lamb频散方程，并编程绘制关键厚度下的相速度频散曲线、群速度频散曲线、激发角曲线，研究钢轨及道岔各部位的最佳兰姆波激发频率与激发角度。　　运用有限元理论对导波在道岔中的传播特性进行了研究:建立道岔局部长心轨三维实体模型和伤损模型，对道岔尖轨中的声场进行有限元分析求解，研究导波的频散关系及传播特性。仿真中选用瞬态动力学模块，采用六面体单元，选择汉宁窗调幅的正弦信号作为激励源，分别得到了轨底激发和轨腰激发的波场快照，计算了缺陷回波时间，对缺陷进行精确定位。　　基于偏振光干涉原理，搭建了弹性场动态光学成像系统，采用K9光学玻璃材料设计制作了道岔尖轨轨底及轨腰变截面光学试块，研究了不同情况下激发的导波在试块中的声场，通过CCD拍摄试块中导波的传播，并通过计算机软件对拍摄的图像进行采集和分析，实现声场的可视化。　　建立了基于脉冲激发和任意波形激发的两套导波发射接收系统，研究了不同种类探头、不同激发频率及不同激发角度的探头在道岔尖轨试块中激发导波的传播特性，在道岔尖轨及长心轨试块中制作不同大小的人工缺陷，研究了导波检测道岔缺陷的可行性。　　对导波发射接收系统采集到的数据进行时频域信号处理，将小波包变换应用于信号的降噪处理过程，将小波包能量谱空间能量分布作为道岔缺陷的判断依据，用小波时频分析方法分析导波信号的瞬时频率;将HHT时频分析方法应用于导波信号的分析处理中，重构信号EMD分解后的IMF分量，并提取重构信号的包络谱，实现对刻槽缺陷的准确定位。
作者：	范振中
专业：	载运工具运用工程
导师：	黎连修
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国铁道科学研究院
学位年度：	2016
正文语种：	中文